Насекомые. Мы с детства любовались красотой бабочки, ловили «божьих коровок», страдали от укусов комаров. И даже став взрослыми, боимся ос и пауков. Этот класс животных на латыни он звучит очень красиво «insecta» - самый многочисленный. Если рассматривать только описанные виды, то их около миллиона. На самом деле их намного больше. Сейчас ученые склоняются к мнению, что всего на нашей планете насчитывается около восьми миллионов видов насекомых. Мириады крошечных созданий ползают, летают, жужжат, стрекочут и смотрят на мир своими глазами.
Как же видят эти миниатюрные создания? Глаза насекомых, очень важный орган. У взрослых особей многих видов глаза занимают большую часть головы. Если их рассматривать с большим увеличением, то они покажутся похожими на мелкую решетку или сеточку. Это потому, что каждый глаз состоит из множества маленьких глазков. Их называют – фасеточными. Такой крошечный глазок-фасетка, называется омматидий. Длинные узкие конусы, на окончании которых расположены линзы в виде шестигранника, плотно прилегают друг к другу. Оси их, благодаря тому, что глаз круглый, расходятся лучеобразно. И не смотря на то, что у одного омматидия возможность обзора всего от одного до шести градусов, все вместе, а их у разных видов от 100 до 30 000, дают возможность глазу, охватывает предмет в целом. Изображение получается составленным из разных кусочков, как мозаика.
Мелких деталей насекомые не различают. Четкость изображения нарушается из за того, что оптические оси омматидий расходятся под углами 1 – 6 градусов. Видят насекомые не далеко. Всего на расстояние нескольких метров. Зато, когда солнца на небосклоне уже не видно, благодаря способности определять плоскость поляризации света, они хорошо ориентируются. Да и мелькания или мигания света они различают с частотой 250 - 300 герц. Для сравнения мы, люди, способны это делать с частотой около 50 герц.
Если говорить о том, различают ли эти крохи цвета, то это да. Конечно же, тоже не так как люди. Больше всего в этом плане были исследованы пчелы. Так из многочисленных опытов ученые узнали, что пчелы видят мир, окрашенный в четыре цвета. Красно–желто-зеленый. Да, да. Именно так. Не каждый отдельно, а неведомый нам цвет, слитый воедино. Еще сине-зеленый, сине-фиолетовый и ультрафиолетовый. Ультрафиолет различают и другие насекомые. Среди них некоторые бабочки, муравьи. Досконально этот вопрос не изучен. Многое только предстоит узнать.
Это еще не все. На лобно-теменной части головы насекомых в виде треугольника расположены еще три глазка. У некоторых два. Диаметр их от 0,03 до 0,5 миллиметра. Они намного проще фасеточных. Но играют не менее важную роль. Эти глазки увеличивают общую светочувствительность, то есть помогают насекомому ориентироваться по отношению к источнику света. Если глазки заклеить, то насекомое будет менее чувствительно к свету.
Изучая строение, привычки и повадки этих удивительных маленьких существ, все больше убеждаемся в том, как неповторим и уникален окружающий нас мир. И как бережно к нему надо относиться, чтобы не нарушить тот баланс, которым окружил нас Создатель.
Мухи живут меньше, чем слоны. В этом нет никаких сомнений. Но, с точки зрения мух, действительно ли их жизнь представляется им гораздо короче? Таким, по сути, был вопрос, который поставил Кевин Гили из Тринити-колледжа в Дублине в своей статье, только что опубликованной в Animal Behaviour. Его ответ: очевидно, нет. Эти небольшие существа мухи с быстрым метаболизмом видят мир в замедленном режиме. Субъективное переживание времени является по сути лишь субъективным. Даже отдельные люди, которые могут обмениваться впечатлениями, разговаривая друг с другом, не могут знать наверняка, совпадает ли их собственный опыт с опытом других людей.
Мухи — зрение мухи и почему ее трудно убить
Но объективный показатель, который, вероятно, коррелирует с субъективным переживанием, все-таки существует. Он называется критической частотой слияния мерцание CFF — critical flicker-fusion frequency, и является самой низкой частотой, при которой мерцающий свет выдается постоянным источником освещения. Он измеряет то, как быстро глаза животных могут обновлять изображения и таким образом обрабатывать информацию.
Для людей средней критической частотой мерцания является 60 герц (то есть 60 раз в секунду). Именно поэтому частота обновления изображения на телевизионном экране, как правило, установлена на этом значении. Псы имеют критическую частоту мерцания в 80 Гц, и поэтому, наверное, кажется, что им не нравится смотреть телевизор. Для собаки телепрограмма выглядит как множество фотокадров, которые быстро меняют собой друг друга.
Высшая критическая частота мерцания должна означать биологические преимущества, поскольку она позволяет быстрее реагировать на угрозы и возможности. Мух, имеющих критическую частоту мерцания в 250 Гц, как известно, трудно прибить. Свернутая газета, которая, как представляется человеку, движется во время удара быстро, мухам кажется такой, будто она движется в мелассе.
Ученый Кевин Гили предположил, что основными факторами, ограничивающими критическую частоту мерцания у животного, является ее размеры и скорость обмена веществ. Небольшой размер означает, что сигналы в мозг проходят меньшее расстояние. Высокая скорость обмена веществ означает, что для их обработки доступно больше энергии. Поиск в литературе, однако, показал, что никто раньше не интересовался этим вопросом.
К счастью, для Гили, этот самый поиск также показал, что многие люди изучали критическую частоту мерцания у большого количества видов по другим причинам. Многие ученые так же изучали скорости обмена веществ у многих тех же видов. Зато данные о размерах видов общеизвестны. Таким образом, все, что ему нужно было сделать — это построить корреляции и применить с пользой для себя результаты других исследований. Что он и сделал.
Для облегчения задачи к своему исследованию ученый взял данные, касающиеся только позвоночных животных — 34 видов. На нижнем конце шкалы оказался европейский угорь, с критической частотой мерцания в 14 Гц. За ним сразу идет кожистая черепаха, с критической частотой мерцания в 15 Гц. Рептилии вида туатара (гаттерия) имеют CFF в 46 Гц. Акулы-молоты вместе с людьми имеют CFF в 60 Гц, а желтоперые птицы, как и псы, имеют CFF в 80 Гц.
Первое место занял суслик золотистый, с CFF в 120 Гц. И когда Гили построил графики зависимости CFF от размера животного и скорости обмена веществ (которые не являются, что нужно признать, независимыми переменными, поскольку у малых животных, как правило, скорость обмена веществ выше, чем у крупных), он нашел именно те корреляции, которые он и предсказал.
Получается, что его гипотеза — что эволюция заставляет животных видеть мир в как можно более медленном движении — выглядит правильной. Жизнь мухи может показаться людям кратковременной, но с точки зрения самих двукрылых, они могут доживать до глубокой старости. Помните об этом в следующий раз, когда попробуете (неудачно) прибить очередную муху.
Мозг мухи вряд ли больше, чем отверстие в швейной иголке. Но муха, обладая таким мозгом, умудряется обработать более ста статических изображений (кадров) в секунду. Как известно, у человека предел - примерно 25 кадров в секунду. А муха нашла более простой и эффективный способ обработки изображений. И это не могло не заинтересовать исследователей в области робототехники.
Обнаружено, что мухи обрабатывают 100 кадров в секунду. И это позволяет им во время полета обнаружить препятствие в течение нескольких миллисекунд (миллисекунда – это одна тысячная секунды). В частности, исследователи сфокусировали своё внимание на оптических потоках, которые они назвали "оптические полевые потоки ". Похоже на то, что это оптическое поле обрабатывается только первым слоем нейронов. Они обрабатывают “грубый” исходный сигнал от каждого мушиного “пикселя” . И пересылают обработанную информацию на следующий слой нейронов. И, как утверждают исследователи, этих вторичных нейронов всего лишь 60 штук в каждом полушарии мушиного мозга. Тем не менее, мушиному мозгу удаётся уменьшить или раздробить поле зрения на множество протекающих последовательно “векторов движения”, которые дают мухе вектор направления движения и “мгновенную” скорость. И что интересно, то, что муха это всё видит!
Мы, люди (и не все), знаем что такое вектор и мгновенная скорость. А муха об этих вещах, естественно, не имеет никакого понятия. И таким способностям мозга мухи обрабатывать огромное количество информации можно только позавидовать. А почему мы видим всего лишь примерно 50 кадров в секунду, а муха 100? Трудно сказать, но есть разумные предположения на этот счёт. Как взлетает муха? Почти “мгновенно”, с огромным ускорением. Мы такую перегрузку врадли бы выдержали. Но можно создать роботизированный мозг, который по скорости обработки информационных потоков не уступит мозгу мухи.
Чтобы попытаться понять, как крошечный мушиный мозг может обрабатывать такое огромный поток информации, исследователи в Мюнхене создали “симулятор полета” для мухи. Муха могла летать, но удерживалось на привязи. Электроды регистрировали реакцию клеток мозга мухи. А исследователи пытались понять, что же происходит в мозге мухи во время полёта.
Первые результаты очевидны. Мухи обрабатывают изображения от их неподвижных глаз совсем не так, как это делает человек. При перемещении мухи в пространстве, в ее мозге формируются “оптические полевые потоки” (optical flux fields), которые и дают мухе направление движения.
Как бы это видел человек? Например, при движении вперёд, окружающие объекты мгновенно бы разбегались по сторонам. А объекты в поле зрения казались бы большими, чем они есть на самом деле. И казалось бы, что ближайшие и удалённые объекты перемещаются по-разному.
Скорость и направление, с которыми объекты мелькают перед мушиными глазами, генерируют типичные шаблоны векторов движения – полевые потоки. Которые на втором этапе обработки изображения достигают так называемой "lobula plate" – центра зрения более высокого уровня. В каждом полушарии мозга мухи есть всего лишь 60 нервных клеток, ответственных за зрение. Каждая из этих нервных клеток реагирует только на сигнал с определенной интенсивностью.
Но для анализа оптических потоков важна информация, поступающая от двух глаз одновременно. Эту связь обеспечивают особые нейроны, называемые “VS cells”. Они и позволяют мухе точно оценить своё местоположение в пространстве и скорость полёта. Похоже на то, что “VS cells” ответственны за распознавание и реакцию на вращающий момент, действующий на муху во время её манёвров в полёте.
Исследователи в области робототехники работают над тем, чтобы разработать роботов, которые могут наблюдать окружающую среду при помощи цифровых камер, изучать то, что они видят и адекватно реагировать на изменение текущей ситуации. И эффективно и безопасно общаться и взаимодействовать с людьми.
Например, уже ведутся разработки маленького летающего робота, положение и скорость полёта которого будет контролироваться при помощи компьютерной системы, имитирующей зрение мухи.
И у мух, и у пчел по пять глаз. Три простых глаза расположены в верхней части головы (можно сказать, на темени), а два сложных, или фасеточных - по бокам головы. Сложные глаза мух, пчел (а также бабочек, стрекоз и некоторых других насекомых) - предмет восторженного изучения ученых. Дело в том, что эти органы зрения устроены очень интересно. Они состоят из тысяч отдельных шестиугольников, или, говоря научным языком, фасеток. Каждая из фасеток — это миниатюрный глазок, который дает изображение отдельной части предмета. В сложных глазах комнатной мухи примерно 4000 фасеток, у рабочей пчелы - 5000, у трутня - 8000, у бабочки - до 17 000, у стрекозы - до 30 000. Получается, что глаза насекомых посылают в их мозг несколько тысяч изображений отдельных частей предмета, которые хотя и сливаются в изображение предмета в целом, но все же этот предмет выглядит как бы сложенным из мозаики.
Зачем нужны фасеточные глаза? Считается, что с их помощью насекомые ориентируются в полете. В то время как простые глаза предназначены для рассматривания предметов, находящихся вблизи. Так, если пчеле удалить или заклеить сложные глаза, то она ведет себя как слепая. Если же заклеиваются простые глаза, то кажется, что у насекомого замедленная реакция.
1,2
- Фасеточные (сложные) глаза пчелы или мухи
3
- три простых глаза пчелы или мухи
Пять глаз позволяют насекомым охватывать 360 градусов , то есть видеть все, что происходит спереди, с обоих боков и сзади. Может быть, поэтому к мухе так сложно подобраться незамеченным. А если учесть, что сложные глаза гораздо лучше видят движущийся предмет, чем неподвижный, то остается только удивляться, как у человека иногда все же получается прихлопнуть муху газетой!
Особенность насекомых с фасеточными глазами улавливать даже малейшее движение отображена в следующем примере: если пчелы и мухи усядутся вместе с людьми смотреть кинофильм, то им будет казаться, что двуногие зрители подолгу рассматривают один кадр, прежде чем перейти к рассматриванию следующего. Чтобы насекомые могли смотреть кино (а не отдельные кадры, наподобие фото), то пленку проектора нужно крутить в 10 раз быстрее.
Стоит ли завидовать глазам насекомых? Наверное, нет. К примеру, глаза мухи видят многое, но не способны к пристальному разглядыванию. Вот почему они обнаруживают пищу (каплю варенья, например), ползая по столу и буквально на нее натыкаясь. А пчелы из-за особенностей своего зрения не различают красный цвет - для них он черный, серый или синий.
Способность видеть окружающую действительность во всём разнообразии цветов и оттенков - это уникальная возможность, которую природа даровала человеку. У насекомых, как и у людей, тоже есть орган зрения, но они воспринимают мир красок иначе. Современные учёные, воспользовавшись специальными приборами, сумели немного приблизиться к разгадке тайны и понять, как видят насекомые предметы, цвета и различные очертания.
Способы восприятия
У разных насекомых органы зрения неодинаковы. Если одни представители класса беспозвоночных могут лишь отличить свет от темноты или наблюдать за миром в чёрно-белых тонах, тогда другие способны распознавать цвета или вовсе видеть всё в ультрафиолетовом спектре.
Способность видеть у насекомых несколько отличается от зрения других живых существ. Некоторые виды имеют несколько пар глаз, которые могут находиться не только на голове, но и на других частях тела. Насекомые не различают мелких деталей и видят всего лишь на расстоянии 1-2 метров. Они могут хорошо ориентироваться на закате благодаря своему умению определять плоскость поляризации света. Мигание световых волн они различают в десятки раз лучше людей. Насекомые воспринимают окружающий мир тремя путями:
- С помощью всей поверхности тела . Это довольно интересная способность многих насекомых, при которой не нужно иметь глаза. Большой минус состоит в том, что живые существа не различают предметы, а способны лишь распознать свет от темноты. Он проникает к голове, сначала проходя через кутикулу и внешний слой кожи. В клетках мозга начинается реакция, и насекомое ощущает, что на него попадает свет. Такая способность помогает насекомым, живущим под землёй. Подобная разновидность зрения существует у тараканов, отдельных видов гусениц и тли.
- Простыми глазами . Насекомым, имеющим подобные зрительные органы, повезло гораздо больше, ведь они способны не только отличить день от ночи, но и различать некоторые объекты, а также их форму. Как правило, простые глаза располагаются на передней части головы насекомого и состоят из роговицы, которая принимает свет из зрительных нервов. Зрительные органы этого типа чаще всего бывают у личинок насекомых. У личинки комара вместо глаз есть пигментные пятна, улавливающие свет. Зато гусеницы имеют по 5-6 органов зрения с каждой стороны головы. С их помощью они неплохо разбираются в формах. Вертикальные предметы они видят лучше, чем горизонтальные, поэтому из двух деревьев, скорее всего, выберут то, что выше, а не шире.
- . Они зачастую встречаются у взрослых насекомых и обычно расположены по бокам их головы. Такие глаза помогают распознавать любые формы объектов и даже различать цвета. Они имеют сложную структуру и состоят из совокупности линз, именуемых фасетками. Интересная особенность состоит в том, что беспозвоночные млекопитающие не видят окружающий мир целиком, а только кусочки изображений, которые уже в мозге собираются в единый пазл. К примеру, муха в процессе полёта успевает соединить все фрагменты в полную картину, поскольку именно в движении она видит гораздо лучше, чем в состоянии покоя.
Чёткость изображения у различных представителей класса беспозвоночных неодинаковая и зависит от роли, которую играет в их жизни зрительное восприятие. Одни могут рассмотреть только очертания объектов, другие представляют предметы вытянутыми в длину, а третьи видят чёткие и пропорциональные изображения.
Цветовое зрение насекомых
Давно известно, что некоторые виды насекомых хорошо различают цвета, а диапазон воспринимаемых ими оттенков отличается от человеческого. Цветовое зрение играет немалую роль в жизни этих членистоногих животных. Они распознают сигналы цветущего растения (запах, окраску венчиков) и находят цветы с необходимым нектаром или пыльцой. Насекомые, отыскав подходящий цветок, запоминают его детали, что помогает потом им найти нужное растение и сэкономить время в период сбора пыльцы.
